WC的添加量对铁基结合剂性能的影响

肖长江　朱玲艳　张恒涛　栗正新

摘 要：本文在铁基结合剂中加入0%、2.5%、5%、7.5%、10%的WC粉，采用热压烧结法制备出不同WC含量的铁基结合剂节块，并对铁基结合剂节块的硬度、抗弯强度和耐磨性进行了测试。实验数据表明：随着WC粉的含量从0%增加到10%，铁基结合剂的硬度逐渐增加；抗弯强度与耐磨性也同时提高。但抗弯强度与耐磨性的提高与WC加入量并非呈简单的线性关系。

关键词：铁基结合剂；WC；力学性能；耐磨性

1 前言

近几年来，许多学者围绕着解决高温下铁对金刚石的热浸蚀、提高结合剂与金刚石的结合强度，以及工具的自锐性等方面进行了大量研究，取得了不少成果，并成功地用于生产实践[1，2]。而提高金刚石工具结合剂的耐磨性一直是笔者研究的课题，因为铁基结合剂的性能可调，又具有价格十分便宜的经济优势，所以深受广大研究者和应用厂商的重视[3，4]。

一般来说，含铁40%～60%被称为铁基结合剂。加入一定量的铜、锌、锡、磷铁共晶合金等低熔点元素或合金作粘结相，让其在烧结过程中较早熔融，成为液相，使结合剂具有液相烧结的一切特征，在较低的温度下发生位移、扩散、致密化、合金化等一系列烧结过程中的物理化学变化，从而得到理想的致密烧结体。添加少量的高硬度、高熔点的骨架成分，如：钨、碳化钨、金属氧化物等，以提高结合剂的硬度和耐磨性，并通过调节这些成分来调整性能和适用范围。

本文在铁基结合剂中加入0%、2.5%、5%、7.5%、10%的WC粉，采用热压烧结法制备出不同WC含量的铁基结合剂节块，并对铁基结合剂节块的硬度、抗弯强度和耐磨性进行了测试。

2 实验内容

2.1 实验原料及工艺

本文以300目的Fe粉、200目的Cu粉、200目的Sn粉、300目的还原Ni粉，以及300目的WC粉为原料。主要是保持Fe和Ni的含量不变，改变Cu-Sn和WC的含量，当WC的含量从0%增加到10%，Cu-Sn粉的含量从45%相应地减少到35%，其具体的配方如表1所示。

按照表1中的配方称量好各种金属粉末，在球磨机中混合均匀，然后装入石墨模具中。由于本实验需要测量抗弯强度和耐磨性，所以需制备两种不同的试样：一组做长方形模具，共做五组，每组三个，试样规格为40mm×10mm×10mm，测其抗弯强度和硬度；另一组做成圆形磨具，试样规格为Φ7mm×10mm，测其耐磨性。采用热压烧结法烧结试样，烧结温度为760℃、压力为20MPa，其具体的烧结工艺如表2所示。

2.2 性能表征

本文中的抗弯强度采用三点弯曲法在Instron5585型材料试验机上进行测试；硬度在HR-50A型洛氏硬度计上进行测试，耐磨性在立式万能摩擦磨损试验机上测试。

3 结果分析与讨论

不同含量的WC粉和Cu-Sn粉对样品性能的影响如图1、图2所示。

由图1可知，随着WC含量的增加，以及Cu-Sn粉含量的减少，样品的硬度一直增加。当WC含量从0%增加到10%时，样品的硬度从83.3增加到98.3。由图2可知，随着WC含量的增加和Cu-Sn粉的含量减少，样品的抗弯强度的变化趋势呈现出增加再减少再增加的趋势。但总的来说，加入WC含量后，样品的抗弯强度都增加了，从WC含量0%时的563.3MPa增加到10%时的622.3MPa。WC可以提高结合剂的硬度和耐磨性。在铁基结合剂中，WC就是骨架金属。由于WC是高硬度、高熔点的骨架成分，加入后能提高结合剂的硬度和抗弯强度。

不同WC和Cu-Sn粉的含量的样品的耐磨性测试数据如表3所示。

从表3可以看出，随WC加入量的增加，耐磨性先变好再变差。在本试验条件下，当WC的加入量为0%时，磨损率最大，为0.0227%，耐磨性最差；当WC加入量为5%时，铁基结合剂的磨损率最小，为0.0075%，耐磨性最好。

4 结论

WC的加入提高了铁基结合剂的硬度、抗弯强度与耐磨性。随着WC加入量的增加，铁基结合剂的硬度逐渐增加。但抗弯强度与耐磨性的提高与WC加入量并非呈简单的线性关系。

参考文献

[1] 王双喜，刘雪敬，耿彪.金属结合剂金刚石磨具的研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2006，4（12）：71.

[2] 司卫征，袁慧，张凤林.金属基体金刚石工具结合剂中添加合金元素的研究进展[J].超硬材料工程，2007，19（1）：31.

[3] Hu J， Chou Y K， Thompson R G.. Cohesive zone effects on coating failure evaluations of diamond-coated tools[J].Surface & Coatings Technology， 2008， 203 ：730.

[4] 彭凯，尹育航，陶洪亮.金属结合剂金刚石工具胎体耐磨性随烧结温度变化的研究[J].超硬材料工程，2011， 23（4）：5.

[5] 肖长江， 赵延军，尚秋元.烧结工艺对铁基结合剂金刚石节块力学性能的影响[J].硅酸盐通报，2011，30（5） ： 1068.